JP2014222082A - 車体慣性エネルギ変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の前後進の切り換え時に作用する慣性エネルギを回生することによって、ブレーキを使用する必要をなくし、ブレーキを作動させても、ブレーキ反力を最小限に抑制し、かつ慣性エネルギを動力に変換し、もって作業機械の稼働時に省エネルギを図る。【解決手段】ホイールローダ１のトランスミッション１２として、エンジン１１により回転駆動される入力軸２０とアクスル装置７のタイヤ６を回転駆動するための出力軸２２との間には、前進クラッチ２１Ｆ，後進クラッチ２１Ｂが介在しているが、後進クラッチ２１Ｂのクラッチ軸２１ＢＣにはフライホイール３０の回転軸３０ａが入出力クラッチ３１を介して接続されており、この入出力クラッチ３１は、入力軸２０側がフライホイール３０と接続した時にはこのフライホイール３０を一方向に回転させ、出力軸２２がフライホイール３０と接続した時には反転軸２３を介して出力軸２２側を前記入力軸２０との接続時とは反対方向に回転させる。【選択図】図２

Description

本発明は、作業機械として、例えばホイールローダやフォークリフト等のように、頻繁に前後進を繰り返す作業機械において、少なくとも後進から前進への切り換え時等に作用する車体の慣性エネルギを利用する車体慣性エネルギ変換装置に関するものである。

作業機械として、例えばホイールローダは、土砂等をバケットで掘削乃至採取してダンプトラック等、所定の位置に移載する作業を繰り返し行うものである。ホイールローダの構成及び作業内容については、例えば特許文献１に開示されている。

この種、公知のホイールローダは、車体と作業装置とから構成され、アーティキュレート式のものにあっては、車体は前部車体と後部車体とが水平方向に回動可能に連結されている。これら前部車体と後部車体とには、それぞれ走行手段を構成する走行車両が装着されており、後部車体に運転室が設置されている。運転室には各種の操作手段が設けられており、前進走行，後進走行及びステアリングを行うことができるようになっている。

作業手段はバケットを有するものであり、このバケットはアームを介して前部車体に昇降可能に連結されている。そして、アームと前部車体との間にはバケットを昇降させるための昇降用シリンダが装着されており、アームとバケットとの間には、バケットを上下方向に回動させるための回動用シリンダが設けられている。

ホイールローダの駆動機構としては、エンジンを備え、このエンジンの回転軸をトルクコンバータ及びトランスミッションを介して回転力がホイールを装着した車軸、つまりアクスルに伝達される。トルクコンバータからアクスル装置に至る駆動伝達系には、前進用クラッチと後進用クラッチが接続されており、これらのクラッチを切り換えることによって、車両を前進させたり、後進させたりすることができる。

以上のように構成されるホイールローダは、土砂置き場にまで前進走行して、バケットの操作により土砂をバケットに収容させて持ち上げるようになし、その後に車両を後進させたうえで、ダンプトラックに向けて進行して、バケットから土砂をダンプトラックの荷台に投入する。さらに、ホイールローダをダンプトラックから離間させるように後進し、再び土砂置き場に向かうように前進動作する。

ホイールローダが前進なり後進なりした後に停止する際には、車両に慣性力が作用することになるが、特許文献１では、蓄電装置を用いて慣性力によるエネルギを回生する構成としている。つまり、走行時のエネルギを発電機により電力に変換して蓄積し、このようにして蓄電した電気エネルギを利用して電動モータを回転駆動する構成としている。

エンジンの回転エネルギをフライホイールに蓄えておき、このフライホイールに蓄積されたエネルギを必要に応じて車両の駆動アシストするために使用する構成としたものが、特許文献２に開示されている。

特開２００２−３１５１０５号公報 実開平１−７３０２号公報

ホイールローダによる作業の中では、車両の前進から後進への走行方向の切り換え、及び後進から前進への走行方向の切り換えが頻繁に行われる。走行方向の切り換え時には走行している車両を一度停止させることになり、このときに車両に慣性力が作用する。ホイールローダがダンプトラックへの土砂の積み込み位置から後方に移動した後に、土砂置き場に向けて前進を開始する際、バケットに土砂を収容させた後に、ダンプトラックに向けて移動を開始する際には、特に大きな慣性力が作用する。

一方、土砂置き場に向けてホイールローダを進行させるが、この土砂置き場で車両が停止する。このときには、バケットが土砂に突っ込むことになり、バケットによる土砂への突っ込み動作時に作用する抵抗により車両の慣性力が吸収される。さらに、バケットに収容した土砂をダンプトラックに積み込む際にも、車両を停止させるが、ホイールローダとダンプトラックとが接触しないように、しかも土砂の投入が最適になる位置までホイールローダを移動させる際には、動作の慎重性を期するために、また停止精度を良好にするために、通常、車両の走行は低速で行われることになる。

以上のように、走行及び停止が頻繁に行われ、しかも前進及び後進が繰り返し行われるホイールローダ等にあっては、特に大きな慣性力が作用する後進の停止時に、無駄に廃棄されるエネルギを利用するために、特許文献１に開示されているように、発電を行うことで慣性エネルギを回収することによって、消費エネルギの無駄が改善されることになる。

ところで、特許文献１の場合、慣性エネルギを回収するために、別途発電機を設けなければならないことから、構成が複雑かつ大型化してしまうという問題点がある。

そして、ホイールローダのように、前後進が繰り返し頻繁に行われる作業機械にあっては、車両を後進から前進に走行方向を変えるために、車両を停止する際には、大きな慣性力が作用することになる。特に、バケットに土砂等の重量物を満載にした状態で、高速に走行させて、急激に減速・停止したときには、大きな慣性力が作用する。その際、ホイールローダにおいてはブレーキを殆ど使用せず、トルクコンバータとクラッチで慣性エネルギを吸収して車両を停止し、方向の切り換えを行っている。つまり、前後進切り換えを行う際はトルクコンバータやクラッチにおける発熱量が大きく、特にクラッチにかかる負担が大きい。その為、前進および後進クラッチは、クラッチプレートの枚数を増やして吸収可能なエネルギを大きくしたり、潤滑油量を増やしたり等の対策が施されているが、それでも尚、焼付き等の損傷を起こす危険性がある。また、車両の慣性エネルギを全て熱に変えてしまっているのでエネルギ効率が悪く、燃費が悪化してしまう。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、車両の前後進の切り換え時に作用する慣性エネルギを回生することによって、クラッチにかかる負担を低減してクラッチの損傷を防止し、さらに省エネルギを図るように出来るようにすることである。

前述した目的を達成するために、本発明は、前後進が繰り返される車両からなる作業機械の走行手段に備えられ、走行停止時に作用する車体の慣性エネルギを動力として活用する車体慣性エネルギ変換装置であって、回転駆動手段に接続した入力軸と、前記車輪を駆動する出力軸と、前記入力軸と前記出力軸との間をクラッチ手段により接離可能に連結する回転伝達手段とを備え、前記回転伝達手段は入出力クラッチを介してフライホイールと接続し、前記入出力クラッチは、前記入力軸側を前記フライホイールと接続させた時にはこのフライホイールを一方向に回転させ、前記出力軸が前記フライホイールと接続した時には反転手段を介して前記出力軸側を前記入力軸との接続時とは反対方向に回転させる構成としたことをその特徴とするものである。

回転伝達手段は、入力軸と前進クラッチを介して接離可能な第１の回転伝達軸と、前記反転手段を構成する反転軸及び後進クラッチを介して入力軸と接離可能な第２の回転伝達軸とを有するものとなし、出力軸には直接入力軸から回転を伝達する構成とするのではなく、その間に中間軸を介在させる。従って、中間軸は第１の回転伝達軸と接続され、また第２の回転伝達軸とは反転軸を介して接続されるように構成することによって、入力軸を回転駆動したときに、前進クラッチを接続状態にすると、第１の回転伝達軸を介して車輪に回転を伝達する出力軸が前進方向に回転する。一方、後進クラッチを接続状態にすると、第２の回転伝達軸が作動して、この第２の回転伝達軸は反転軸を介して車輪は後進方向に回転することになる。

本願発明の車体慣性エネルギ変換装置は、車両の停止時に作用する慣性エネルギを回生して、車両の走行時のアシストを行うものであり、ホイールローダ等にあっては、慣性エネルギは後進停止時に作用するのが大きい。従って、車両の後進から前進に切り換える際における慣性エネルギを回生する構成とするのが望ましいが、前進から後進に切り換える際にも同様の構成を採用することができ、また後進から前進への切り換えと前進から後進への切り換えの双方において、慣性エネルギの回生を行う構成とすることもできる。

車両が後進停止時に、車体の慣性力によりフライホイールを回転させ、再度後進する際にこのフライホイールの回転を利用する構成とすることが望ましい。これによって、停止時の慣性エネルギの全てをトルクコンバータと前進クラッチにより吸収させるのではなく、フライホイールの回転として回生することになる。即ち、車両の後進から停止する際には、入力軸と第２の回転伝達軸との間を切断し、かつ前記後進クラッチを接続すると共に前記入出力クラッチを接続状態とすることによって、フライホイールを回転駆動することで、車体の慣性エネルギの一部をフライホイールの回転として蓄積させる。そして、車両の前進開始時には、入出力クラッチを接続状態にし、かつ前進クラッチを接続状態とすることによって、第１の回転伝達軸を介して出力軸をフライホイールの回転に追従させて回転駆動するようになし、もって車両の停止時における車体の慣性エネルギを回生して、車両の駆動のために活用することができる。

従って、本願発明においては、車両の前後進の切り換え時に作用する慣性エネルギを回生することによって、クラッチの損傷を防止し、慣性エネルギを動力に変換することによって、作業機械の稼働時に省エネルギを図ることができる

車体慣性エネルギ変換装置を設けた作業機械の一例としてのホイールローダの正面図である。 本発明の車体慣性エネルギ変換装置の一実施例を示すホイールローダの走行駆動機構のトランスミッションの構成説明図である。 ホイールローダの作業現場を模式的に示す模式的説明図である。 図３の作業現場における作業手順を示す行程説明図である。 車体の慣性エネルギを回生する手順を示す作用説明図である。 ホイールローダの走行とエネルギの回生との関係を示すタイミングチャート図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の一形態について説明する。以下においては、本発明の車体慣性エネルギ変換装置をホイールローダに適用したものとして説明する。ただし、本発明の車体慣性エネルギ変換装置はホイールローダ以外の作業機械、例えばフォークリフト等にも適用することができる。

図１において、１はホイールローダであり、例示したホイールローダ１の車両２は、後部車体２Ａと前部車体２Ｂとに分かれたアーティキュレートタイプのものである。これら後部車体２Ａと前部車体２Ｂとの間は左右に相対屈曲可能に連結されている。後部車体２Ａには運転室３が設置されると共に機械室４が設けられている。一方、前部車体２Ｂには作業手段５が設けられる。作業手段５は、図示したものにあっては、リンク機構５ａの先端にローダバケット５ｂを設けたものから構成されている。

後部車体２Ａ及び前部車体２Ｂにはそれぞれ走行手段としてのタイヤ６を有するものであって、タイヤ６はそれぞれ後部車体２Ａ，前部車体２Ｂについて、各一対設けられている後部車体２Ａ，前部車体２Ｂの左右のタイヤ６，６はそれぞれアクスル装置７に連結して設けられている。後部車体２Ａには駆動装置ユニット１０が設けられており、この駆動装置ユニット１０は、回転駆動手段としてのエンジン１１及びトルクコンバータ１２と回転伝達手段を構成するトランスミッション１３から構成され、トランスミッション１３からはプロペラシャフト１４ａ，１４ｂが前後に延在されている。プロペラシャフト１４ａ，１４ｂの他端は、それぞれ後部車体２Ａ及び前部車体２Ｂにおけるアクスル装置７に接続されている。

図２はトランスミッション１３の構成を模式的に示したものである。図中において、２０はエンジン１１からの動力が伝達される入力軸であり、この入力軸２０にはトルクコンバータ１２が接続されている。入力軸２０には前進用クラッチ２１Ｆと後進用クラッチ２１Ｂとが接続されており、図示しない前後進レバーを操作することによって、前進用クラッチ２１Ｆまたは後進用クラッチ２１Ｂに入力軸２０の回転が選択的に伝達される。また、図中において、２２は出力軸であって、この出力軸２２はプロペラシャフト１４ａ，１４ｂを介してアクスル装置７に連結された走行車輪を構成するタイヤ６を回転駆動する構成となっている。

ここで、入力軸２０は伝達ギア２０Ｇが設けられ、また前進用クラッチ２１Ｆ及び後進用クラッチ２１Ｂは、それぞれクラッチ軸２１ＦＣ，２１ＢＣを有するものであり、これらクラッチ軸２１ＦＣ，２１ＢＣには、それぞれ従動ギア２１ＦＧ，２１ＢＧが装着されている。伝達ギア２０Ｇは従動ギア２１ＦＧとは直接噛合し、従動ギア２１ＢＧとの間では反転ギア２３が噛合している。

トランスミッション１３はエンジン１１の入力軸２０から出力軸２２に動力を伝達するためのものであり、その間にトランスミッション１３が介在しており、このトランスミッション１３は中間軸２４と速度段クラッチ２５とを含む構成となっており、トランスミッション１３により回転速度とトルクとの変換が行われる。中間軸２４は伝達ギア２４Ｇ１，２４Ｇ２を有するものであり、伝達ギア２４Ｇ，２４Ｇ２は、前進用クラッチ２１Ｆ及び後進用クラッチ２１Ｂの従動ギア２１ＦＧ，２１ＢＧと噛合している。そして、この中間軸２４の伝達ギア２４Ｇ１，Ｇ２は速度段クラッチ２５の１速側クラッチのギア２５Ｇ１及び２速側クラッチのギア２５Ｇ２と噛合しており、この速度段クラッチ２５のクラッチ軸２６には伝達ギア２６Ｇが出力軸２２に設けた伝達ギア２２Ｇと噛合している。

以上の構成において、エンジン１１を作動させて入力軸２０を回転駆動した状態で、前進クラッチ２１が接続状態になると、入力軸２０の回転がクラッチ軸２１ＦＣに伝達され、このクラッチ軸２１ＦＣの回転が中間軸２４に伝達されて、中間軸２４が回転駆動される。従って、速度段クラッチ２５により１速発進または２速発進により出力軸２２が回転駆動される。その結果、車両２のタイヤ６が回転駆動されて車両２は前進する。

一方、後進クラッチ２１Ｂが接続状態になると、入力軸２０の回転により反転軸２３が回転駆動されることになり、この回転がクラッチ軸２１ＢＣを介して中間軸２４が回転する結果、出力軸２２が回転駆動される。ここで、入力軸２０の回転は反転軸２３により回転方向が逆方向となる結果、出力軸２２は前進方向とは逆方向に回転することになり、車両２は後進することになる。

以上の構成において、車両２の走行停止時に作用する慣性エネルギを回生して動力として利用するために、図２から明らかなように、フライホイール３０が設けられている。このフライホイール３０の回転軸３０ａには入出力クラッチ３１が設けられており、この入出力クラッチ３１の他端側は後進用クラッチ２１Ｂのクラッチ軸２１ＢＣが接続されている。そして、このクラッチ軸２１ＢＣの他端には、伝達ギア３２が設けられており、この伝達ギア３２は中間軸２３の伝達ギア２４Ｇ１（または２４Ｇ２）と噛合している。

このように構成することによって、入出力クラッチ３０が接続状態になると、フライホイール３０の回転が伝達軸３２を介して中間軸２３に伝達され、この中間軸２３の回転により出力軸２２を回転駆動されることになる。ここで、後進クラッチ２１Ｂのクラッチ軸２１ＢＣは入力軸２０とは反転軸２３を介して回転方向が逆方向となっているので、中間軸２２の回転方向は、前進用クラッチ２１Ｆのクラッチ軸２１ＦＣと同じ方向、つまり前進方向となる。

前述したホイールローダ１は、例えば土砂置き場に堆積されている土砂をダンプトラックに積み込む作業を行うが、作業の具体的な一例を図３に示す。同図において、４０は土砂置き場、４１はダンプトラック４２が配置されている積込位置、４３はホイールローダ１の方向転換位置である。ホイールローダ１は、同図に実線で示した姿勢方向では土砂置き場４０方向を向いており、仮想線で示した姿勢方向では積込位置に向けられる。

次に、図４に作業手順を示す。まず、ホイールローダ１は、図３に示されているように、土砂置き場４０からも、またダンプトラック４２からも離間した位置、例えば方向転換位置に配置する。この状態から、図４（ａ）に示したように、ホイールローダ１を矢印で示したように、土砂置き場４０に向けて前進させる。そして、図４（ｂ）に示したように、土砂置き場４０で作業機構５のローダバケット５ｂを駆動することにより、土砂が掬い取られる。次いで、ホイールローダ１は土砂置き場４０から後退して、図４（ｃ）に示したように、方向転換位置４３にまで移動する。この方向転換位置４３では車両２の方向を積込位置４１に配置したダンプトラック４２の方向に向けて前進させる。この状態から、図４（ｄ）に示したように、ホイールローダ１をダンプトラック４２と近接する位置に到達すると、このダンプトラック４２の荷台４２ａにバケット５ｂの土砂を投入することができる位置まで前進させる。この状態で、バケット５ｂから土砂をダンプトラック４２に積み込む。その後に、図４（ｅ）に示したように、ホイールローダ１を後退させて、方向転換位置４３に移動させる。

以上の動作を繰り返すことによって、土砂置き場４０の土砂をダンプトラック４３に積み込まれる作業が行われる。ここで、ホイールローダ１の前進時には、土砂置き場４０に突っ込ませたり、ダンプトラック４２との位置合わせたりするものであり、その停止時に慣性エネルギは比較的小さいものである。一方、後進から停止する際には、作業の高速化を図るために、高速で走行して急速に停止させるのが一般的であり、このために後進から停止する際には、車両２に大きな慣性力が作用することになる。

そこで、図４（ｂ）から同図（ｃ）に示したように、ホイールローダ１を後進させた後、方向転換位置４３で停止させ、次いで同図（ｄ）に示したように、積込位置４１に向かう動作について説明する。このときの動作手順を図５に、また図６にホイールローダ１の動作時における車両速度，フライホイール３０の入出力クラッチ３１の動作、さらにフライホイール３０の回転数をそれぞれ示す。なお、図５においては、動力の伝達経路を矢印で示している。

図５に示したように、ホイールローダ１の後進時には、エンジン１１の駆動によりトルクコンバータ１２が駆動されるが、後進時であるから、後進クラッチ２１Ｂが接続状態になり、速度段クラッチ２５により１速発進または２速発進のいずれかの速度でアクスル装置７が駆動され、タイヤ６が回転して車両２が後進する。

これによって、車両２は方向転換位置４３に向かうが、この時にステアリング操作を行うことによって、この方向転換位置４３では、図３に仮想線で示したように、車両２は積込位置の方向を向けられる。そして、方向転換位置４３に至ると、車両２は停止する。この停止時には、入力軸２０の回転を停止するようになし、車両２に設けられているブレーキは作動させず、トランスミッション１３を構成するトルクコンバータの作用と、前進用クラッチ２１Ｆの作用とで制動する。これと共に、フライホイール３０の入出力クラッチ３１を所定時間だけ接続状態とすることによって、タイヤ６はアクスル装置７を介してフライホイール３０の回転軸３０ａを回転させる。これによって、フライホイール３０の回転により車両２の慣性エネルギが吸収されることになり、このフライホイール３０の回転で回生されることになる。なお、ブレーキを作動させるにしても、車両２の慣性エネルギの大半はフライホイール３０に吸収させる。これにより、車両２の減速時に、前進クラッチ２１Ｆに過大な負担をかけずに制動することになる。

車両２が停止して、所定の位置まで前進して、積荷をダンプする。そして、再び後進が開始するが、このときに入出力クラッチ３１を接続状態とすることによって、フライホイール３０の回転がアクスル装置７に伝達される。これによって、車両２の前進時にフライホイール３０によりタイヤ６の回転がアシストされる。その結果、車両２の駆動時の消費エネルギがその分だけ節約される。

ここで、フライホイール３０を回転させると、このフライホイール３０の回転力が減衰することになる。従って、フライホイール３０の回転数若しくは回転トルクを検出し、その回転数なり回転トルクが車両２の走行をアシストするに足るエネルギが得られなくなると、入出力クラッチ３１が切断されることになる。

１ ホイールローダ ２ 車両
６ タイヤ ７ アクスル装置
１１ エンジン １２ トルクコンバータ
１３ トランスミッション ２０ 入力軸
２１Ｆ 前進用クラッチ ２１Ｂ 後進用クラッチ
２２ 出力軸 ２３ 反転軸
３０ フライホイール ３１ 入出力クラッチ
４０ 土砂置き場 ４１ 積込位置
４２ ダンプトラック ４３ 方向転換位置

Claims (3)

1. 前後進が繰り返される車両からなる作業機械の走行手段に備えられ、走行停止時に作用する車体の慣性エネルギを動力として活用する車体慣性エネルギ変換装置であって、
   回転駆動手段に接続した入力軸と、前記車輪を駆動する出力軸と、前記入力軸と前記出力軸との間をクラッチ手段により接離可能に連結する回転伝達手段とを備え、
   前記回転伝達手段は入出力クラッチを介してフライホイールと接続し、
   前記入出力クラッチは、前記入力軸側を前記フライホイールと接続させた時にはこのフライホイールを一方向に回転させ、前記出力軸が前記フライホイールと接続した時には反転手段を介して前記出力軸側を前記入力軸との接続時とは反対方向に回転させる
   構成としたことを特徴とする車体慣性エネルギ変換装置。
2. 前記回転伝達手段は、前記入力軸と前進クラッチを介して接離可能な第１の回転伝達軸と、前記反転手段を構成する反転軸及び後進クラッチを介して前記入力軸と接離可能な第２の回転伝達軸とを有し、前記出力軸には中間軸により回転駆動されるものであり、この中間軸は前記第１の回転伝達軸と接続され、また前記第２の回転伝達軸とは前記反転軸を介して接続されるものであることを特徴とする請求項１記載の車体慣性エネルギ変換装置。
3. 前記車両の後進から停止する際には、前記入力軸と前記第２の回転伝達軸との間を切断し、かつ前記後進クラッチを接続すると共に前記入出力クラッチを接続状態とすることによって、前記フライホイールを回転駆動するようになし、前記車両の前進開始時には、前記入出力クラッチを接続状態にし、かつ前記前進クラッチを接続状態とすることによって、前記第１の回転伝達軸を介して前記出力軸を前記フライホイールの回転に追従させて回転駆動する構成としたことを特徴とする請求項２記載の車体慣性エネルギ変換装置。

Images